汽車發動機中不銹鋼管以奧氏體不銹鋼為主，奧氏體不(bu)銹鋼的超聲波探傷歷來是行業內重點研究內容。因為奧氏體組織本身晶粒度較大，會產生大量的干擾信號，給時域內超聲缺陷信號判斷帶來極大困難。本書將以短時傅里葉變換信號處理技術為基礎，簡要介紹奧氏體不銹鋼無縫鋼管裂紋缺陷的信號處理方法。

一、短時傅里葉變換

短(duan)時傅(fu)里(li)葉變(bian)換(huan)的(de)實質是一(yi)種加窗后的(de)移(yi)動傅(fu)里(li)葉變(bian)換(huan)，假設有一(yi)信號s(t),其短(duan)時傅(fu)里(li)葉變(bian)換(huan)的(de)定義如下：

 根據式（4.9)~式（4.11),在(zai)某特定(ding)時(shi)(shi)刻b,用寬度為2τ的(de)(de)時(shi)(shi)間窗(chuang)截(jie)取信號s(t),對所得信號做快(kuai)速傅(fu)里葉變換，可獲得信號s(t)在(zai)特定(ding)時(shi)(shi)刻b的(de)(de)幅(fu)度譜(pu)，將時(shi)(shi)間窗(chuang)后移，依次進(jin)行相同(tong)操作(zuo)，最(zui)終得到(dao)某一(yi)頻率的(de)(de)信號在(zai)整(zheng)個信號有(you)效時(shi)(shi)間內的(de)(de)幅(fu)度譜(pu)，該方法稱為短(duan)時(shi)(shi)傅(fu)里葉變換。

 1. 窗(chuang)函數類型(xing)選擇

 對短時(shi)傅里葉變換而(er)言(yan)，窗函(han)(han)數與窗函(han)(han)數寬(kuan)度(du)的選擇是關鍵因(yin)素，不(bu)同的窗函(han)(han)數有各(ge)自(zi)的頻(pin)率特(te)性，窗寬(kuan)度(du)的選擇要同時(shi)考慮時(shi)間分(fen)(fen)辨率和(he)頻(pin)率分(fen)(fen)辨率。

  圖4.13為304奧氏體(ti)不銹鋼無縫管(guan)粗晶反射信號，反射信號長度(du)為46個(ge)采樣點，按(an)窗寬度(du)50個(ge)采樣點選擇不同窗函數分別做STFT處理。不同窗函數的STFT處理結果(guo)如圖4.14所示。

 分析不同窗(chuang)(chuang)函數(shu)STFT圖，矩形窗(chuang)(chuang)、三角形窗(chuang)(chuang)以及海(hai)明窗(chuang)(chuang)STFT處理(li)(li)后的(de)信(xin)(xin)號粗糙，光(guang)順度不夠(gou)，信(xin)(xin)號峰值較(jiao)(jiao)難獲取，不宜(yi)采用(yong)；漢(han)(han)寧(ning)窗(chuang)(chuang)以及布萊(lai)克(ke)曼窗(chuang)(chuang)STFT處理(li)(li)后的(de)信(xin)(xin)號比(bi)較(jiao)(jiao)順滑，信(xin)(xin)號峰值較(jiao)(jiao)易確定。對比(bi)漢(han)(han)寧(ning)窗(chuang)(chuang)、布萊(lai)克(ke)曼窗(chuang)(chuang)，漢(han)(han)寧(ning)窗(chuang)(chuang)STFT處理(li)(li)所(suo)得信(xin)(xin)號幅值較(jiao)(jiao)大，分辨精度較(jiao)(jiao)高，故選(xuan)擇該窗(chuang)(chuang)函數(shu)較(jiao)(jiao)為適宜(yi)。

2. 窗(chuang)函數寬度選擇

 分(fen)(fen)析窗寬(kuan)度(du)是短時(shi)傅里(li)葉(xie)變換的(de)一個重要參數，窗寬(kuan)度(du)的(de)選擇(ze)決定能否正確分(fen)(fen)析出(chu)原(yuan)始信號(hao)中(zhong)的(de)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)變化情況。分(fen)(fen)析窗寬(kuan)度(du)越窄(zhai)，局部頻(pin)(pin)譜的(de)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)就(jiu)越低(di)，時(shi)間分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)就(jiu)越高；相反，分(fen)(fen)析窗寬(kuan)度(du)越寬(kuan)，局部頻(pin)(pin)譜的(de)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)就(jiu)越高，時(shi)間分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)就(jiu)越低(di)。因此需(xu)要找到一個合適(shi)的(de)分(fen)(fen)析窗寬(kuan)度(du)，使得局部頻(pin)(pin)譜在(zai)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)與時(shi)間分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)達(da)到最優效果。

 采(cai)用漢寧(ning)窗(chuang)，選(xuan)擇不同窗(chuang)寬度對上述奧(ao)氏體不銹鋼粗晶(jing)反射信號做STFT處理，得到多(duo)個頻率的時(shi)間(jian)－幅值譜，其(qi)結(jie)果如(ru)圖4.15所示。

 分(fen)析圖4.15a,當窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)等于超聲(sheng)(sheng)反(fan)射(she)信(xin)(xin)號長(chang)度(du)時(shi)，處理結果的(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)不足，其中4MHz、5MHz單頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號較難分(fen)辨(bian)；圖4.15b窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)增加(jia)(jia)到反(fan)射(she)信(xin)(xin)號長(chang)度(du)的(de)(de)1.2倍，單頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號的(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)有所增加(jia)(jia)；圖4.15c窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)為反(fan)射(she)信(xin)(xin)號長(chang)度(du)的(de)(de)1.5倍，單頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號的(de)(de)時(shi)間(jian)(jian)分(fen)辨(bian)率(lv)及頻(pin)(pin)率(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)均達到最優；圖4.15d窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)等于反(fan)射(she)信(xin)(xin)號長(chang)度(du)的(de)(de)2倍，單頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號的(de)(de)時(shi)間(jian)(jian)分(fen)辨(bian)率(lv)明顯降低(di)。因此STFT處理的(de)(de)窗(chuang)函數最佳(jia)寬(kuan)(kuan)度(du)應在超聲(sheng)(sheng)反(fan)射(she)信(xin)(xin)號長(chang)度(du)的(de)(de)1.5倍左(zuo)右。

二(er)、粗(cu)晶奧氏(shi)體不銹鋼管裂紋缺陷檢(jian)測

 以外徑21mm、厚度3.2mm的304奧氏體不銹鋼無縫鋼管(guan)為基(ji)管(guan)，細晶(jing)(jing)試(shi)樣(yang)不做熱處(chu)理，通過1280℃/4h的熱處(chu)理工藝獲得(de)粗(cu)晶(jing)(jing)試(shi)樣(yang)，分別在(zai)細晶(jing)(jing)和(he)粗(cu)晶(jing)(jing)樣(yang)管(guan)上通過電火花(hua)加工人工缺陷長5mm、深0.2mm、寬(kuan)0.2mm,檢(jian)測超(chao)聲中(zhong)心頻率5MHz,超(chao)聲檢(jian)測信號如圖4.16所(suo)示。

 對上述信號做(zuo)快(kuai)速傅里葉變(bian)換(huan)處理，得到各自的時頻信號圖如圖4.17所示。

 分析圖4.17,當頻(pin)率(lv)較(jiao)低時(shi)，通(tong)常低于4MHz情況下(xia)奧(ao)氏體不銹鋼樣管(guan)細(xi)晶－裂(lie)紋超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)信號(hao)時(shi)間－幅(fu)度(du)(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)值(zhi)較(jiao)大，粗晶無(wu)裂(lie)紋超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)信號(hao)時(shi)間－幅(fu)度(du)(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)值(zhi)較(jiao)小(xiao)；當頻(pin)率(lv)超(chao)(chao)過5MHz時(shi)，奧(ao)氏體不銹鋼樣管(guan)粗晶－裂(lie)紋超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)信號(hao)時(shi)間－幅(fu)度(du)(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)值(zhi)較(jiao)大，細(xi)晶－裂(lie)紋超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)信號(hao)時(shi)間－幅(fu)度(du)(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)值(zhi)較(jiao)小(xiao)。

上述差異表明超(chao)聲(sheng)波(bo)與奧(ao)氏體(ti)不(bu)銹鋼裂(lie)紋或晶(jing)粒相互作用后，裂(lie)紋和晶(jing)粒對超(chao)聲(sheng)波(bo)某些頻率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)抑制(zhi)和增強作用不(bu)同(tong)，回波(bo)信(xin)號的(de)(de)(de)(de)(de)頻率(lv)成(cheng)分(fen)(fen)會表現(xian)出差異，它體(ti)現(xian)在反射信(xin)號中不(bu)同(tong)頻率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)相對幅值(zhi)隨時(shi)間的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)規律不(bu)同(tong)，這代表著里面含有一定的(de)(de)(de)(de)(de)有關奧(ao)氏體(ti)不(bu)銹鋼裂(lie)紋和晶(jing)粒的(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)息，對粗(cu)晶(jing)奧(ao)氏體(ti)不(bu)銹鋼缺陷的(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)聲(sheng)時(shi)域信(xin)號分(fen)(fen)辨(bian)提供了分(fen)(fen)析(xi)手段。